送料裝置由鏈輪、鏈條和撥叉組成，其中鏈輪由伺服電機直接驅動，待包裝物料由撥叉直接送入制袋成型器內(nèi)。橫封橫切裝置大多采用回轉式輥形封切的形式，安裝有刀刃和加熱電極。下輥軸由伺服電機直接驅動，通過齒輪傳動實現(xiàn)上、下輥軸的相向運動。一般情況下，橫封軸進行凸輪運動，可實現(xiàn)包裝膜的橫向封合與切斷?？v封裝置大多采用輥式回轉的形式，安裝有加熱電極，通過兩輥筒等速相向回轉可實現(xiàn)包裝膜的縱向封合。另外，通過齒輪鏈條傳動，縱封器輥筒旋轉線速度與包裝膜進給速度相同，因此縱封裝置對包裝膜具有一定的牽引作用。制袋成型器可將包裝膜折疊成筒形，便于物料填充、縱向熱封、橫向熱封等。

1. 2. 運動分析

包裝工藝流程可以描述為：送膜裝置將包裝薄膜勻速傳送至制袋成型器，經(jīng)制袋成型器處理后，包裝薄膜會變成筒狀；同時送料裝置會將待包裝物料推入筒狀包裝膜內(nèi)；由縱封裝置完成縱向封合，橫封橫切裝置完成橫向封合、切斷等；成品輸出。為保證自動包裝機的包裝效率和精度，其整個運動過程需滿足以下幾個條件：速度匹配，即送膜速度、送料速度、橫封橫切速度三者相同；位置匹配，即物料要處于包裝薄膜的中間位置，橫封切點和色標點重合。

橫封軸進行凸輪運動，主要原因在于相同時間 T（包裝周期）內(nèi)，加工袋長 L 和橫封軸旋轉周長 S 不一定相等。同時加工袋長是可以變化的，而橫封軸旋轉周長是固定的。如果橫封軸勻速轉動，勢必會導致橫封橫切速度與送膜速度存在差異，產(chǎn)生相對運動引起“劃膜”，造成比較大的包裝誤差。橫封軸需要做凸輪運動以實現(xiàn)送膜、送料、橫封橫切之間的速度匹配。橫封軸運動循環(huán)過程見圖 2。

在包裝過程中，物料與包裝薄膜之間的位置匹配是否精確是影響包裝質量的重要因素。物料應處于筒狀包裝膜的特定位置，以印有色標的包裝膜為例，物料應在相鄰的 2 個色標的中間位置，這樣可以最大程度地降低橫封刀具損壞物料的可能性。另外，橫封切點和色標點的位置是否匹配也是影響包裝質量的重要因素。在橫封切斷工序中，切點和色標點的重合可以避免橫封刀具切到物料，可提高包裝精度、降低次品率。

圖 2 橫封運動循環(huán)過程

Fig.2 The movement cycle of horizontal sealing

1. 3. 功能簡介
      1. 電子凸輪。由伺服電機驅動橫封軸實現(xiàn)凸輪運動以取代傳統(tǒng)機械凸輪，具有輸出柔性和可控性， 可根據(jù)具體要求實時更改凸輪運動參數(shù)。
      2. 位置跟蹤。理論上，包裝膜進給速度和橫封橫切速度是相同的，但是受拉拽、摩擦、振動等因素的影響，兩者之間出現(xiàn)速度差，導致切點和色標點無法重合。自動包裝機的位置跟蹤功能可實時檢測色標點的位置，進而保證橫封刀具準確地切到色標點上。3）物料跟隨。保證物料與包裝膜之間的位置匹配，檢測錯位物料。
2. 電子防切。對錯位物料不進行包裝，或切到物料后自動恢復、調(diào)整，可以提高包裝效率，前者還可以避免刀具和物料的損壞。
3. 自動接膜、空槽檢測、恒溫控制、故障報警等?？梢詫崿F(xiàn)自動換膜，對空物料位不進行包裝，熱封機構溫度相對恒定，故障提示和排除，以提高生產(chǎn)效率、降低廢品率。
4. 硬件系統(tǒng)設計

自動包裝機控制系統(tǒng)是基于伺服驅動控制技術進行搭建的，其硬件系統(tǒng)結構見圖 3。人機界面是開發(fā)人員或操作人員與控制系統(tǒng)聯(lián)系的主要平臺。通過人機界面可以設定或修改一些參數(shù)，如包裝長度、包裝速度、凸輪偏心量、熱封溫度等，以及對刀、各軸單獨控制等操作。另外，包裝過程中的實時參數(shù)也可以由人機界面顯示出來，便于相關人員監(jiān)控包裝過程、 整定參數(shù)等。該運動控制系統(tǒng)選用 Eview MT4300C 系列觸摸屏，支持多串口同時通訊、64K 色顯示方式以及 C 語言宏代碼，RISC 處理速度可以達到 200 MHz，具有靈活、易用等特點。人機界面見圖 4。

作為自動包裝機的控制核心，通用運動控制器的

作用非常重要，它可以獲取由人機界面所設定的參數(shù)，通過分析、計算得到脈沖控制參數(shù)，并將這些參數(shù)傳送至各伺服驅動器，進而實現(xiàn)自動包裝機各機構的協(xié)調(diào)運動。通過光電傳感器和編碼器將色標、物料、各軸位置以脈沖個數(shù)的形式反饋給運動控制器，分析運動誤差并進行計算補償，以實現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖 4 人機界面

Fig.4 Human-computer interface

考慮到自動包裝機的運動控制需求，基于 DSP 設計了一種通用多軸運動控制器，其結構見圖 5。DSP 芯片選用 Motorola DSP56F807，其內(nèi)核為 16 位可編程數(shù)字信號處理器。外圍功能模塊主要包括：異步串行通信模塊 SCI，用于觸摸屏通信；通用 I/O 模塊

圖 5 通用運動控制器

Fig.5 General movement controller

GPIO，用于接收按鈕及檢測傳感器觸發(fā)信號；Counter模塊，用于伺服電機控制；脈寬調(diào)制模塊 PWM，通過脈寬調(diào)制電路控制加熱裝置；模數(shù)轉換器 ADC， 采集熱電偶信號；CAN 總線模塊，用于控制電磁閥、信號燈等；相位檢測器，用于檢測編碼器信號；JTAG 接口等。該控制器適用于多種伺服電機的控制與應用，利用 PC 機編寫應用程序，通過 JTAG 接口下載與調(diào)試。

各軸驅動系統(tǒng)采用伺服電機及相應伺服驅動器， 伺服驅動器接收從運動控制器發(fā)出的脈沖信號，進而控制伺服電機按設定的軌跡和速度運轉。

3. 軟件設計

自動包裝機控制系統(tǒng)軟件設計主要包括電子凸輪控制模塊、三軸同步控制模塊、人機界面設計、電子防切控制模塊、恒溫控制模塊、故障報警程序設計等。

偏心量等；通過通用運動控制器獲取參數(shù)，生成電子凸輪速度曲線并進行離散化處理得到伺服電機控制表格；利用查表法實現(xiàn)伺服電機的升降頻控制，輸出凸輪運動[12—13]。人機界面設計，包括可視化界面編程、基于MODBUS 協(xié)議的觸摸屏與通用運動控制器通訊程序等。自動包裝機主要功能的實現(xiàn)，包括電子凸輪、位置跟蹤、物料跟隨、電子防切、自動接膜、空槽檢測、恒溫控制、故障報警等。電子凸輪和三軸同步控制作為核心，是實現(xiàn)其他功能的基礎和前提，因此文中將重點介紹其軟件設計方法。

1. 1. 電子凸輪

電子凸輪主要包括凸輪曲線生成、離散化處理和伺服電機升降速控制等，關鍵在于電子凸輪加減速曲線設計。目前，常用的加減速曲線設計方法包括：直線、指數(shù)、多項式、拋物線和 S 曲線等。其中直線和指數(shù)加減速法的沖擊比較嚴重；拋物線和 S 曲線加減速法雖然可以減少沖擊，但是控制過程復雜、難以實現(xiàn)；多項式加減速法不僅可以減小沖擊，而且算法相對簡單。比較常用的柔性多項式加減速法包括三次多項式和五次多項式，雖然后者柔性更好，但是其加工效率相對較低。綜合考慮，在滿足無沖擊、高效率的前提下，文中采用三次多項式進行凸輪加速、減速曲線設計，方程為：

v(t)=a0 +a1t+a2t ²+a3t³

式中：a₀，a₁，a₂，a₃ 為待定系數(shù)，可通過邊界條件求得。

針對電子凸輪加減速曲線，采用定步法進行離散化處理，得到一個關于脈沖頻率 f_i 和脈沖個數(shù) k_i 的控制表格。通過查表法，根據(jù)控制表格中的脈沖頻率、脈沖個數(shù)實現(xiàn)伺服電機的升降速控制^[11]。

綜上所述，電子凸輪的實現(xiàn)過程見圖 6。通過觸摸屏設置包裝工藝參數(shù)，例如包裝速度、包裝袋長、

圖 6 電子凸輪實現(xiàn)過程

Fig.6 The realization of electronic CAM

1. 2. 三軸同步控制

三軸同步是指送膜軸、送料軸、橫封橫切軸的速度與位置匹配控制。參考多軸同步控制算法，文中選用“主從同步控制”實現(xiàn)自動包裝機的速度、位置同步，以保證包裝質量和效率。

三軸同步控制^[14—16]原理見圖 7，定義送膜軸為主動軸，料軸和橫封橫切軸為從動軸。送膜軸跟蹤誤差可表示為 e₁、送料軸和橫封橫切軸的跟蹤誤差可分別表示為 e₂ 和 e₃。根據(jù)主從同步控制原理，送膜軸同步誤差可表示為 ε₁=0；送料軸同步誤差可表示為ε₂=e₂−e₁，若能使 ε₂→0，可實現(xiàn)送膜軸和送料軸的速度或位置匹配，即物料跟蹤功能；橫封軸同步誤差可描述為 ε₃=e₃−e₁，若能使 ε₃→0，可實現(xiàn)切點和色標點速度或位置匹配，即色標自動追蹤功能。

圖 7 三軸同步控制原理

Fig.7 Three-axis synchronous control principle diagram

以某型號的枕式包裝機作為實驗平臺，去掉其復雜的機械凸輪和鏈條傳動結構。結合上述控制系統(tǒng)， 利用伺服電機直接驅動各軸。首先，進行包裝誤差測試，即設定包裝速度為每分鐘 50 包，包裝長度在100 ～ 500 mm 內(nèi)隨機選取， 橫封軸旋轉周長為

370 mm，電子凸輪偏心量為 5。橫封軸作電子凸輪運動，當包裝長度為 100，125，135，150，175，200， 210，220，249，277，300，319，340，353，370，

386，400，435，450，460 mm 時，測得的偏差數(shù)值分別為 0，0.1，0.1，0.1，0.1，0，0.2，0.1，0.3，0.2， 0.1，0.3，0.1，0.2，0.1，0.3，0.1，0.2，0.1，0.1 mm 。

然后，進行色標跟蹤誤差測試，即設定包裝速度為每分鐘 50 包，包裝長度為 300 mm，電子凸輪偏心量為5，對送膜軸、送料軸、橫封軸進行三軸同步控制， 跟蹤包裝膜色標，測得偏差數(shù)值分別為 1.5，1.5，2， 0.5，1，0，0.5，0.5，0.5，0，0，0.5，0，0.5，0，0，

0，0，0，0.5 mm。

由實驗結果可知，基于電子凸輪技術可將包裝誤差控制在 1 mm 以內(nèi)，與傳統(tǒng)枕式包裝機械相比，其包裝精度大大提高，而且輸出柔性比較理想，凸輪形式的更改也十分方便，只需簡單修改設定參數(shù)即可。同時，基于三軸同步控制的色標跟蹤技術，其最大誤差僅為 1.5 mm，在偏差允許的范圍內(nèi)。另外，包裝

速度最大可達每小時 800 包。

5 結語

在現(xiàn)代工業(yè)中，自動包裝機械的應用十分廣泛。針對枕式包裝機械的運動控制問題，文中設計了一種運動控制系統(tǒng)，在以下幾個方面展開了工作：以三伺服枕式包裝機為例，介紹了其結構、功能和運動特點， 重點介紹了送膜軸、送料軸、橫封橫切軸、縱封裝置和制袋成型器等，以及電子凸輪、位置跟蹤、電子防切、空槽檢測等功能；設計了一種自動包裝機控制系統(tǒng)，包括人機界面、通用運動控制器、伺服系統(tǒng)等， 重點介紹了基于 DSP 的通用運動控制器結構；給出了軟件設計方法，主要包括電子凸輪實現(xiàn)方法和三軸同步控制方法。文中所述控制系統(tǒng)、控制方法具有通用性，它不僅僅適用于枕式包裝機，對其他形式的包裝機械同樣具有一定的借鑒意義。

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